Käsitetestit fysiikan opetuksessa

Kirjoittaja: 

Antti Savinainen, vanhempi lehtori (Kuopion Lyseon lukio), FT, dosentti antti.savinainen@kuopio.fi

Johdanto

Fysiikan opetuksen yksi tärkeä päämäärä on se, että opiskelija kykenee kuvaamaan fysikaalisia ilmiöitä oikeita käsitteitä käyttäen. Hyvä käsitteiden hallinta muodostaa lujan perustan fysiikan osaamiselle, johon kuuluvat luonnollisena osana myös kokeellisen työskentelyn taidot ja matemaattinen mallintaminen.

Nykyisenkin fysiikan ylioppilaskokeen tehtävissä käsitteellinen ymmärtäminen on jossain määrin mukana kaikissa tehtävissä, joissakin aivan keskeisenä osana. Tuleva sähköinen ylioppilastutkinto mahdollistaa monipuolisemman ja laajemman opiskelijan kykyprofiilin testaamisen (http://www.ylioppilastutkinto.fi/images/sivuston_tiedostot/Sahkoinen_tut...). Sähköisen reaalikokeen, siis myös fysiikan, yhtenä osiona tulee jokaisessa kokeessa olemaan joko monivalinta- tai selitystehtävät. Tämä tarkoittaa sitä, että opiskelijoille on annettava riittävästi tilaisuuksia harjoitella myös monivalintatehtäviä, joiden osuus lienee ollut fysiikan lukio-opetuksessa varsin vähäinen. Monivalintatehtävien ratkaisujen huolellinen selittäminen tukee jossain määrin myös selitystehtäviin vastaamisen kehittymistä. Fysiikan mallitehtäviin voi tutustua Digabin sivuilla (https://digabi.fi/kokeet/esimerkkitehtavat/fysiikka/).

Mistä voisi saada hyvää materiaalia fysiikan opetuksen ja kenties myös oppimisen arvioinnin tueksi? Onneksi opettajan ei tarvitse kehittää kaikkea alusta alkaen, koska fysiikan opetuksen tutkimus (Physics Education Research, PER) on jo yli 30 vuoden ajan tutkinut opiskelijoiden fysiikan käsitteellistä ymmärrystä ja tuottanut runsaasti monivalintatestejä eri fysiikan osa-alueille. Testin laatiminen on pitkällinen prosessi, joka mm. sisältää opiskelijoiden haastatteluja, testikysymysten pilotointia ja näin kerätyn tiedon hyödyntämistä kysymysten ja vaihtoehtojen jalostamista vastaamaan mahdollisimman hyvin opiskelijoilla esiintyviin käsityksiin (tiivis esitys aiheesta on lähteessä Engelhardt(2009)). Hyvän testin kehittäminen on vuosien työ, josta tämän kirjoittajallakin on kokemusta. Testien integriteetin säilymisen vuoksi on tärkeää, että testikysymyksiä ei anneta opiskelijoiden haltuun, ei myöskään vastauksia. Testien tehtäviä ei saa laittaa myöskään Internetiin. Toki oikeat ratkaisut perusteluineen kannattaa käydä tunnilla läpi. En esitä tässä artikkelissa tehtävistä esimerkkejä, jotta ne eivät vuotaisi opiskelijoiden tietoon edes vahingossa.

Tarkastelen seuraavaksi suomeksi saatavilla olevia testejä fysiikan osa-alueiden näkökulmasta. Kerron hieman kunkin testin luonteesta ja myös omia kokemuksiani testin vaatimustasosta lukion opiskelijoille; osa testien tehtävistä soveltunee myös peruskoulun puolelle. Englanninkielinen testivalikoima on suurempi (http://www.ncsu.edu/per/TestInfo.html; http://www.compadre.org/); myös Redishin (2003) kirjan mukana tuleva CD-ROM sisältää suurimman osan vuoteen 2003 mennessä kehitetyistä testeistä. Lisäksi melkein kaikkien testien kehittämisestä on julkaistu vertaisarvioidut artikkelit. Jotkut näistä artikkeleista on luettavissa ilmaiseksi (hakusanana kannattaa käyttää testin englanninkielistä nimeä).

Mekaniikka

Kinematiikan kuvaajien testi

TUG-K (Test of Understanding Graphs – Kinematics) testaa kinematiikan kuvaajien tulkinnan taitoja. Testissä on 21 tehtävää, jotka edellyttävät kulmakertoimien ja pinta-alojen määrittämistä, siirtymistä kuvaajasta toiseen ja siirtymistä eri esitysmuotojen välillä. Tehtävät on laadittu siten, että niissä on hyvin vähän tietoa kontekstista: esimerkiksi kinematiikan soveltamista heittoliikkeen tarkasteluun ei vaadita. Useimmat opiskelijat vastaavat testiin puolessa tunnissa. Testi on kuvattu tarkemmin lähteessä Savinainen (2003).

Testi sopii jo FY1-kurssille, vaikka se onkin tässä vaiheessa opiskelijoille varsin vaativa. Mekaniikan kurssin (FY4) yhteyteen testi sopii ongelmitta. Lyseon FY1-kurssin opiskelijoilla usean vuoden keskiarvo testissä on ollut hieman alle 60 %. Tuloksissa on nähtävissä tietty polarisoituminen: on oppilaita, jotka vastaavat suurimpaan osaan kysymyksistä oikein ja toisaalta oppilaita, jotka vastaavat vain muutamaan tehtävään oikein. Yleensä ne menestyvät paremmin, jotka ovat päättäneet jatkaa fysiikan opintoja pakollista kurssia pidemmälle.

Opiskelijat saivat tuoda muutaman vuoden ajan testiin mukaan itse tekemänsä yhteenvedon, jonka laajuus oli rajattu yhteen kaksipuoleiseen A4-paperiin. Vertailin tuloksia ryhmien välillä, joilla oli mukanaan yhteenveto niiden kanssa, joilla yhteenvetoa ei ollut: tulos oli täsmälleen sama. Näyttää siltä, että mahdollinen hyöty saadaan jo yhteenvedon tekemisestä; ilmeisesti sen mukana pitämisestä on testissä hyötyä vain vähän, jos ollenkaan. Testin suomenkielisen version voi pyytää sähköpostitse tämän artikkelin kirjoittajalta.

Voimatesti

FCI (The Force Concept Inventory) on jo klassikkotesti, joka julkaistiin vuonna 1992. Kysymykset ja vastausvaihtoehdot on mahdollisimman pitkälle laadittu siten, että ne on mahdollista ymmärtää jo fysiikan opintojen alkuvaiheessa. Testin soveltamisesta oppimisen tutkimuksessa on julkaistu enemmän artikkeleita kuin mistään muusta fysiikan monivalintatestistä. FCI:ssä on 30 tehtävää, joissa testataan voimakäsitteen, nopeuden ja kiihtyvyyden käsitteiden ymmärtämistä; pääpaino on kuitenkin dynamiikassa. Yli 80 %:n suoritus on jo erittäin hyvä tulos; kohtalaisena tuloksena voidaan pitää yli 60 %:n suoritusta, jota testin laatijat ehdottavat newtonilaisen ajattelun rajapyykiksi. Lyseossa opiskelijoiden tulosten pitkäaikainen keskiarvo on noin 80 %. Vastaavasti alkumittauksessa FY1-kurssilla keskiarvo on noin 30 %. Periaatteessa olisi mahdollista vastata suurimpaan osaan FCI:n tehtävistä yläkoulun tiedoilla, mutta käytännössä tämä toteutuu äärimmäisen harvoin.

Parhaiten testi sopii FY5-kurssin yhteyteen sen jälkeen, kun heittoliike ja kappaleen liike ympyräradalla on käsitelty (testissä ei ole pyörimisliikkeen osaamista mittaavia tehtäviä). Suurimpaan osaan kysymyksistä on mahdollista vastata jo FY4-kurssin tietojen perusteella. Opettaja voi halutessaan käyttää hieman lyhyempää FCI:n versiota, jos hän haluaa hyödyntää testiä jo FY4-kurssin yhteydessä. Testin suomenkielisen version saa lähettämällä työsähköpostista pyynnön englanninkielellä David Kochille osoitteeseen FCIMBT@verizon.net (testiä koskeva nettisivu on http://modeling.asu.edu/R&E/Research.html). Jyväskylän yliopiston tutkija Pasi Nieminen on kehittänyt FCI-testistä version, jossa testataan representaatioiden eli eri esitysmuotojen (esim. sanallinen ja diagrammaattinen esitysmuoto, kuvaajat, vektorit, ”motion maps”) hallintaa voimakäsitteen yhteydessä. R-FCI-testin (The Representational Variant of the Force Concept Inventory) lähtökohtana on yhdeksän FCI:n sanallista tehtävää, joista kustakin kehitetty kaksi vastaavaa tehtävää eri esitysmuodossa. Kolmen tehtävän rypästä kutsutaan teemaksi. Tehtäviä on siten yhteensä 27. On kiinnostavaa tutkia, missä määrin tehtävän esitysmuoto vaikuttaa opiskelijan kykyyn vastata tehtävään oikein. Testin suomenkielisen version voi pyytää sähköpostitse tämän artikkelin kirjoittajalta.

Voima- ja liiketesti

FMCE-testissä (The Force and Motion Conceptual Evaluation) on 43 kysymystä, jotka käsittelevät voimakäsitettä ja kinematiikan kuvaajia. Testi on profiililtaan erilainen kuin FCI, vaikka sen tehtävät ovatkin samalta fysiikan alueelta. Vaikka FMCE on pidempi kuin FCI, siihen vastaaminen on varsin nopeaa. Testissä annetaan kohtuullisen pieni määrä fysikaalisten tilanteiden kuvailuja, joista on laadittu useita tehtäviä jotakin muuttujaa varioiden. Esimerkiksi Newtonin III lakia kysytään neljässä kontekstissa kymmenen kertaa: oppilaan uskoa tähän lakiin siis koetellaan, kun voimat ovat joka kerta yhtä suuria!

FMCE sopii erinomaisesti FY4-kurssin loppukokeen yhteyteen. Lyseossa FMCE-testin keskiarvo on ollut hieman FCI-testiä pienempi, mikä viittaa siihen, että FMCE voisi olla hieman FCI-testiä vaativampi. Toisaalta kyseisten testien välillä on voimakas korrelaatio: laajassa tutkimuksessa korrelaatiokerroin oli 0,78. Vahvasta korrelaatiosta huolimatta testit mittaavat samaa aihealuetta jossain määrin eri tavalla: esimerkiksi em. tutkimuksen aineistossa oli varsin paljon opiskelijoita, jotka saivat toisesta testistä hyvän tuloksen, mutta toisesta paljon heikomman. Testin suomenkielisen version voi pyytää sähköpostitse tämän artikkelin kirjoittajalta.

Mekaniikan perustason testi

MBT-testissä (A Mechanics Baseline Test) on 26 kysymystä, jotka käsittelevät mekaniikkaa muita testejä laajemmin. Se sisältää kysymyksiä kinematiikasta, Newtonin laeista, työperiaatteesta, impulssiperiaatteesta, liikemäärän säilymislaista ja mekaanisen energian säilymislaista. Osa tehtävistä sisältää myös laskuja, joissa tarvitaan laskinta. Testi edellyttää sekä kvalitatiivista että laskennallista mekaniikan hallintaa, mutta pääpaino on käsitteellisessä ymmärtämisessä. MBT on vaativa testi, vaikka kaikki tehtävät osuvat erinomaisesti lukiokurssin sisältöihin. Vaativuudesta kertonee jotakin se, että Harvardin yliopiston valikoitujen opiskelijoiden fysiikan peruskurssilla lopputestin tulos oli 73 % ja ”tavallisten” opiskelijoiden ryhmässä 66 %.

Testi sopii erinomaisesti fysiikan kertauskurssille mekaniikan sisältöjen diagnostiseen testaukseen ja myös kertaukseen. Lyseolaisten tulos on kertauskurssilla ollut noin 70 %. Testin suomenkielisen version saa lähettämällä työsähköpostista pyynnön englanninkielellä David Kochille osoitteeseen FCIMBT@verizon.net (testiä koskeva nettisivu on http://modeling.asu.edu/R&E/Research.html).

Energia- ja liikemäärätesti

EMCS (The Energy and Momentum Conceptual Survey) sisältää 25 kysymystä mekaanisesta energiasta, energian säilymisestä, voiman tekemästä työstä, työperiaatteesta, liikemäärästä ja sen säilymisestä sekä impulssiperiaatteesta. EMCS-testi lienee vaikeampi kuin MBT-testi: se sopii mielestäni paremmin kertaukseen kuin osaksi kurssikoetta. Testin suomenkielisen version voi pyytää sähköpostitse tämän artikkelin kirjoittajalta.

Lämpöoppi

Sidneyn yliopiston tutkijat ovat kehittäneet lämpöopin käsitetestin, jonka esikuvana on ollut FCI. Testin nimikin viittaa tähän: Thermal Concept Inventory (TCI). TCI:ssä on 20 kysymystä, jotka käsittelevät lämpötilaa, lämpölaajenemista ja lämpöä makroskooppisina ilmiöinä. Näin ollen mm. kineettinen kaasuteoria ja entropia on jätetty testistä pois. Monivalintojen vaihtoehdoista on valittava paras selitys; muutamaan kysymykseen voidaan hyväksyä kaksi vastausta. Testiä ei ole virallisesti julkaistu, mutta sen kehitystyö on kuvattu lähteessä Gray (1998).

Testin luonnollinen paikka on FY2-kurssin kertaustunnilla tai kurssikokeessa. Testi on kohtalaisen vaativa: lisensiaatintutkimuksessani toisen vuositason opiskelijoiden (silloisessa OPS:ssa lämpöoppi oli toisen vuositason kurssi) keskiarvo oli 72 % ja vertailuryhmänä toimineella yliopiston peruskurssilaisilla 63 %. Testin suomenkielisen version voi pyytää sähköpostitse tämän artikkelin kirjoittajalta, samoin siitä tehtyä lisensiaatintutkimusta, mikäli joku on siitä kiinnostunut.

Sähkö-oppi

DIRECT (The Determining and Interpreting Resistive Electric Circuit Concepts Test) on tasavirtapiirien ymmärtämiseen kehitetty testi, jossa on 29 kysymystä. DIRECT-testin tehtävät käsittelevät suljettua virtapiiriä, oikosulkua, vastusten sarjaan ja rinnan kytkentää sekä näihin liittyviä virtoja, jännitehäviöitä ja tehonkulutusta. Testissä oletetaan, että johtimet ja paristot ovat ideaalisia. Lisäksi oletetaan, että lamppujen kirkkaus on suoraan verrannollinen tehonkulutukseen. Nämä ehdot toteutuvat parhaimmillaankin vain likimääräisesti reaalisissa virtapiireissä, mutta ne eivät liene kohtuuttomia oletuksia käsitteellisissä tehtävissä. Testissä on pintavarausteoriaan liittyen kaksi kysymystä, jotka eivät kuulu lukiokurssiin (tosin Physica-kirjasarja esittelee hieman pintavarausteoriaa). Ne voi aivan hyvin poistaa testistä; itse olen antanut niistä pisteen, jos ne on vastattu oikein, mutta väärästä vastauksesta ei ole menettänyt mitään. Pintavarausteoriaa tuntemattakin on mahdollista vastata tehtäviin oikein eliminaatiota käyttäen: kaikki muut vaihtoehdot on mahdollista tunnistaa virheellisiksi lukiokurssin tiedoin.

DIRECT on vaativahko testi, lyseolaisten keskiarvo FY6-kurssin jälkeen on ollut noin 60 %. Testin laatijoiden tutkimuksessa Yhdysvalloissa lukiolaisten opetuksen jälkeinen keskiarvo oli 45 % ja yliopiston peruskursseillakin vain 55 %. Testin suomenkielisen version saa lähettämällä työsähköpostista pyynnön englanninkielellä Dr. Paula Engelhardtille osoitteeseen Engelhar@tntech.edu.

Sähkömagnetismi

CSEM-testissä (Conceptual Survey on Electricity and Magnetism) on 32 kysymystä, jotka käsittelevät varausten jakautumista johteeseen ja eristeeseen, Coulumbin lakia ja sähköistä vuorovaikutusta, sähkö- ja magneettikenttää sekä sähkömagneettista induktiota. Jokainen tehtävä on ratkaistavissa koulukurssin (FY7) tiedoilla, mutta testi on varsin vaativa. Testin laatijoiden laajassa yliopiston peruskurssin aineistossa opetuksen jälkeinen keskiarvo oli alle 50 %; myös lukioista kerätyt tulokset olivat samaa suuruusluokkaa.

Testi saattaisi toimia lukio-opetuksessa paremmin harjoituksena kuin osana varsinaista koetta. Sen voisi esimerkiksi tehdä pareittain kertausvaiheessa ilman paineita pisteistä; tämä voisi olla oppimisen kannalta parempi ratkaisu. Testin suomenkielisen version voi pyytää sähköpostitse tämän artikkelin kirjoittajalta (testin käännöstyöstä on vastannut professori Pekka Hirvonen).

Pohdintaa

Testien merkitystä arvioinnissa kannattaa harkita tapauskohtaisesti. Esimerkiksi TUG-K-testin merkitys on Lyseossa ollut arvosanaa korottava, joten se ei ole voinut alentaa arvosanaa. Tämän tarkoituksena on ollut vähentää testijännitystä varsinkin, kun testin vaatimustaso on ensimmäisen vuositason opiskelijoille kohtalaisen korkea. Suosittelen monivalintatestien arvosanaskaalausta sellaiseksi, että opiskelijan ei tarvitse saada kaikkia tehtäviä oikein saadakseen parhaan pistemäärän (tämä menettely on käytössä kansainvälisessä International Baccalaureate-tutkinnossa). Itse olen käyttänyt maksimipisteisiin 70–85 %:n rajaa riippuen testin vaikeustasosta. Jos monivalintatesti on ollut osana kurssikoetta, sen pisteityksen painoarvo on vastannut noin 20 % kokeen kokonaispistemäärästä. Kuten edellä tuli esille, jotkut testit sopinevat paremmin parityönä tehtävään kertaukseen.

Olen käyttänyt käsitetestejä jo viidentoista vuoden ajan käsitteellisen ymmärtämisen arviointiin. Kokemukseni ovat olleet myönteisiä. Testitehtävien pohtiminen on antanut itselleni selkeämmän kuvan kunkin fysiikan alaan käsitteellisestä sisällöstä ja toisaalta ymmärrystä opiskelijoiden yleisimmistä virheellisistä käsityksistä ja vaikeuksista. Nämä ovat vaikuttaneet opetukseeni: opetuskeskusteluissa ja demonstraatioiden ja harjoitustöiden analysoinneissa on mukana vahva käsitteellinen komponentti. Näin on tietysti jokaisella fysiikan opettajalla, mutta käsitetesteihin tutustuminen on tuonut uusia näkökulmia tuttuihin asioihin. Tämä ei tietenkään tarkoita sitä, että opettaisin opiskelijoita vastaamaan vain testikysymyksiin; pyrin välttämään tuntitehtävissä käsitetestien tilanteita (aina se ei ole mahdollista), jotta tehtävät olisivat opiskelijoille jossain mielessä uusia.

On mielenkiintoista, että sähköinen ylioppilastutkinto tulee hyödyntämään monivalintatehtäviä yhtenä koemuotona. Käsitykseni on, että fysiikan hallintakin on aina jossain määrin kontekstista ja tehtävätyypistä riippuvaa. Lisäksi monivalintatehtäviin vastaaminen vaatii hieman erilaista tapaa ajatella kuin oman vastauksen kirjallinen tuottaminen. Tämä tarkoittaa sitä, että jos monivalintatehtäviä ei kursseilla harjoitella, opiskelija ei ehkä kykene vastaamaan niihin sähköisessä kokeessa osaamistasonsa mukaisesti.

Kiitokset

Kiitän kollegaani Kauko Kauhasta käsikirjoituksen hyödyllisestä kommentoinnista ja hyvästä yhteistyöstä useiden testien suomentamisessa.

Lähteet

  • Engelhardt P.V. (2009). An Introduction to Classical Test Theory as Applied to Conceptual Multiple-choice Tests. Getting Started in PER. Saatavissa Internetistä osoitteesta (sivulla vierailtu 23.9.2014): http://www.compadre.org/per/items/detail.cfm?ID=8807
  • Gray, A. (1998). Gray, A. (1998) Developing a Prototype Thermal Concept Inventory , Honours Thesis, School of Physics, University of Sydney. Saatavissa Internetistä osoitteesta (sivulla vierailtu 24.9.2014): http://sydney.edu.au/science/physics/research/super/publications.shtml.
  • Redish, E.F. (2003). Teaching Physics with the Physics Suite CD. Wiley. Redishin mainio kirja on ladattavissa pdf-tiedostoina Internetistä osoitteesta (sivulla vierailtu 23.9.2014): http://www2.physics.umd.edu/~redish/Book/ . (Testejä ei luonnollisestikaan ole nettiversiossa mukana.)
  • Savinainen, A. (2003). Kinematiikan kuvaajien tulkinnan testi. Dimensio 3, 27–29.

Tags: 

Lisää eDimensiossa

Vuoden 2017 opettaja: Vesi, wasser, eau, voda , 19. marraskuu 2017 - 9:57
Dimensio 6/2017 , 19. marraskuu 2017 - 9:01
Opettaja artikkelin kirjoittajana , 16. marraskuu 2017 - 9:36
Dimensio 5/2017 , 29. lokakuu 2017 - 9:16
Mihin matematiikkaa tarvitaan , 16. elokuu 2017 - 9:00
Laskukone vauvan aivoissa , 16. elokuu 2017 - 9:00
Dimensio 4/2017 , 16. elokuu 2017 - 1:00
Dimensio 3/2017 , 23. huhtikuu 2017 - 9:00
Eurajoen vesitornin Foucault’n heiluri , 22. huhtikuu 2017 - 9:00
Historiaa, fysiikkaa ja fysiikan historiaa , 2. huhtikuu 2017 - 9:00
Dimensio 2/2017 , 31. maaliskuu 2017 - 9:00
Erään matematiikan vihaajan tunnustuksia , 2. helmikuu 2017 - 9:00
Dimensio 1/2017 , 26. tammikuu 2017 - 9:00
GeoGebra-täydennyskoulutuksia verkossa , 6. joulukuu 2016 - 9:00
Dimensio 6/2016 , 6. joulukuu 2016 - 9:00
Taide taittaa matematiikkaa – Osa 2(2) , 26. lokakuu 2016 - 9:00
Lukion tärkein ainevalinta? , 26. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 5/2016 , 26. lokakuu 2016 - 9:00
GeoGebra tänään , 26. lokakuu 2016 - 9:00
MAOLin syyskoulutuspäivät Oulussa , 26. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 4/2016 , 24. lokakuu 2016 - 9:00
Taide taittaa matematiikkaa – Osa 1(2) , 22. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 3/2016 , 21. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 2/2016 , 12. lokakuu 2016 - 9:00
Lukion tärkein ainevalinta? , 24. syyskuu 2016 - 9:00
Hattulan silloilta , 8. syyskuu 2016 - 9:00